相关超声波流量计中相关器的硬件实现

论文摘要

超声波流量计通过超声波在流动的流体中传播载上流体流速信息,再通过简便、可靠的信号处理方法,就把这个流速信息转换成流量信息。超声波流量计与以往传统的流量计相比,具有所要求的费用低,安装简便,不会改变流体的流动状态,不产生附加阻力的测量等优点,是一种非常理想的节能型流量计。精度高测量范围大的相关超声波流量计是目前研究的热点。相关超声波流量计通过检测两路（或多路）从管道接收到的超声波信号的相关性得到流体的流速。实现相关的数学算法非常多,本文采用了FFT（快速傅里叶变化）+IFFT的方式实现相关。而FPGA（现场可编程阵列）近年来迅速发展,在处理实时高速处理调度相对简单的信号处理中其性能已超过DSP,因此本课题采用FPGA实现FFT。本文从超声波流量计的发展现状的开始介绍相关超声波流量计的原理,说明了FFT实现对本课题的意义。本文主要研究如何利用FPGA实现FFT处理器,包括算法选取、系统结构设计、各个模块设计、FPGA实现和测试。设计采用基-2 DIT（按时间抽取）算法,以QUARTUS6.0为软件平台,利用VHDL语言描叙的方式实现了512点16bits复数块浮点数结构的FFT系统,在FFT处理器的基础上实现了相关器。最后在ALTERA开发板上进行了验证工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 测量的意义
• 1.2 流量测量方法
• 1.2.1 接触式——传统的流量测量方法
• 1.2.2 非接触式—先进的流量测量方法
• 1.2.3 超声流量计的诞生
• 1.2.4 几种超声流量测量方法的比较
• 1.2.5 传播速度差法
• 1.2.6 多普勒效应法
• 1.2.7 波束偏移法
• 1.2.8 噪声法
• 1.2.9 相关法
• 1.3 超声波相关流量测量技术国内外的现状与发展
• 1.4 系统技术指标
• 1.5 本课题的背景及意义
• 第二章 超声波相关流量测量系统的测量原理
• 2.1 超声波相关流量测量的基本原理
• 2.1.1 超声波流量测量的基本方法
• 2.1.2 互相关检测原理
• 2.2 互相关检测的理论依据
• 2.2.1 互相关函数
• 2.2.2 时域相关定理
• 2.3 互相关运算的器件─相关器
• 2.4 本章 小结
• 第三章 FFT 算法原理和硬件结构
• 3.1 FFT 算法
• 3.2 基-2 按时域抽取（DIT）的FFT
• 3.3 FFT 实际使用中的一些问题
• 3.4 FFT 的硬件实现结构
• 3.5 FFT 硬件处理系统的优化
• 3.5.1 提高FFT 处理速度的措施
• 3.5.2 提高FFT 运算精度的方案
• 3.6 本章 小结
• 第四章 FFT 和相关器的实现
• 4.1 FFT 处理器总体设计
• 4.2 FFT 处理器工作过程
• 4.3 蝶形运算单元设计
• 4.3.1 乘加器设计
• 4.3.2 蝶形运算单元实现
• 4.4 块浮点单元设计
• 4.4.1 块浮点结构原理
• 4.4.2 块浮点结构实现
• 4.4.3 误差分析
• 4.5 地址产生单元设计
• 4.6 双口RAM 的乒乓结构
• 4.7 数据切换模块
• 4.8 ROM 模块设计
• 4.8.1 旋转因子的计算
• 4.8.2 ROM 设计
• 4.9 时序控制单元设计
• 4.10 512 点FFT 系统实现
• 4.11 IFFT 和实序列FFT 的实现
• 4.12 相关器的实现
• 4.13 本章 小结
• 第五章 实验结果及分析
• 5.1 实验平台
• 5.2 信号源
• 5.2.1 DDS 的原理
• 5.2.2 信号源的实现
• 5.3 FFT 处理器性能分析
• 5.3.1 资源利用情况
• 5.3.2 速度运行情况
• 5.4 FFT 处理器的实验结果和分析
• 5.5 相关器的测试
• 5.6 实验结论
• 第六章 结论及课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究生期间参加工作与发表论文情况